一种基于MapServer和OpenLayers的地理空间信息网络发布方案

逯永光(测绘出版社，北京 100045)

20世纪90年代，随着计算机网络技术的发展及人们对地理空间信息需求的不断增加，进而两者结合产生了WebGIS技术，这使得地理空间信息网络共享成为可能。自WebGIS技术出现以来，在互联网技术的不断推动下，WebGIS技术获得了飞速发展。很多GIS厂商和组织推出了各自的WebGIS产品，主要分为商业软件和开源软件。其中，商业软件主要有ArcGIS Server、SuperMap iServer、MapGIS Server等，开源软件中主要有GeoServer、MapServer等。一般来说，商业软件功能较为齐全，编辑操作页面友好，有完善的售后支持服务，需要付费使用，利用其开发应用系统的成本很高。开源软件主要由各种公益组织负责开发维护，不定时地补充其功能，利用其开发应用系统，难度一般较商业软件高，需要结合其他软件，但是成本相对较低。

目前，在国内，开源软件主要在科研院所和高校中应用较多，不仅是因为其可以免费使用和分发，而且主流的开源软件功能也很齐全，配合其他配套软件，可以满足一定的科研需求。本文主要对一种基于MapServer和OpenLayers的地理空间信息网络发布方案进行了论述，并给出了一些优化建议。

1 主要技术概述

1.1 MapServer

MapServer采用C语言编写，起源于20世纪90年代中期美国明尼苏达大学和NASA的一个合作项目——ForNet，用于在Web上发布地理空间数据和实现交互式地图应用，可支持所有主流的操作系统,包括Windows、Linux等。

MapServer提供了2种工作模式：CGI和MapScript，一般选用CGI模式进行应用系统开发。当客户端发送数据请求时，服务器端CGI程序基于Mapfile文件实时读取和处理地理空间数据，并将处理结果返回到客户端显示。系统整合了GDAL、OGR、Pro4j等开源库，通过Pro4j库进行实时投影变换，支持Oracle Spatial、PostgreSQL、SHP、TIF等多种空间数据格式，在客户端可通过OpenLayers等对返回的地理空间数据进行表达和绘图，并且遵循OGC规范，支持WMS、WFS、WFS-T、WCS、WPS等操作。

Mapfile文件是MapServer应用系统的核心，其对象层次组织结构如图1所示。Map对象是Mapfile文件的根节点，包含其他所有的对象，是应用级的参数，主要负责地图空间范围、坐标单位、字体文件、符号文件、空间数据路径等的设置。二级子节点中，Outputformat对象用来设置地图输出格式，Reference对象用来设置鹰眼图，Legend对象用来设置地图图例，Scalebar对象用来设置地图比例尺，Querymap对象用来定义查询结果的渲染方式。Projection对象用来定义地图坐标系，Symbol对象用来设置地图使用符号。Web对象用来定义一个Web接口运行时的参数，如临时图像存放路径、查询为空或失败时返回值、最小最大缩放比例、Metadata等，其中Metadata在配置OGC服务时需要使用。Layer对象是指地图所包含的图层，图层在地图上显示的顺序为倒序(第一个图层在最下面，最后一个图层在最上面)，具体设置图层元数据、比例尺、数据类型、数据路径、投影、对应主题、标签等。一个Mapfile文件最多可以包含100图层，可满足绝大多数应用需要。

图1 Mapfile文件对象组织结构

1.2 Openlayers

Openlayers是目前一个主流的用于WebGIS客户端开发的JavaScript包，用于实现标准格式发布的地图数据访问，其可以支持的地图格式包括ArcGIS地图、Bing地图、Google地图、OpenStreetMap、WorldWind、WMS、WFS、WCS及用户自定义地图等，可以结合MapServer实现轻量级的WebGIS系统。

OpenLayers代码一般嵌在HTML代码中，除了在代码中添加已有控件即可实现的鼠标拖动、要素选取、量测、放大缩小、滚轮缩放、鹰眼图等操作功能外，基于Prototype.js还可实现地图浏览的Ajax效果，或对已有的操作和数据类型进行扩展，为系统开发更多的功能，如自定义查询结果显示方式、添加网络处理服务(WPS)接口等。OpenLayers常见功能控件具体见表1。

1.3 OGC规范

开放地理空间信息联盟(Open Geospatial Consortium，OGC)是一个公益性的国际标准组织，它基于XML规范制定了数据和服务的一系列标准，如WMS、WFS、WCS、GML等，目前已被绝大多数WebGIS软件所支持，成为多源跨平台实现地理空间信息网络共享的重要方式之一。

表1 OpenLayers常见控件及实现功能

WMS(web map service)规范主要包含以下3个操作：GetCapabitities操作可返回服务级元数据；GetMap操作返回一幅地图图像，其坐标系和图像大小等参数通过HTTP请求传入确定，也可以通过服务器端配置文件确定；GetFeatureInfo操作返回在地图上指定位置处的要素信息。

WFS(web feature service)规范支持对地理要素的插入、更新、删除等，对应于桌面版GIS软件中的查询功能，包括空间查询、属性查询，以及基于空间关系和属性域的共同查询。WFS主要操作包括GetCapabilities、DescribeFeatureType、GetFeature等。其中，GetCapabilities操作可返回服务级元数据；DescribeFeatureType操作返回选中要素结构，以便客户端进行查询和其他操作；GetFeature操作可根据查询条件返回一个GML数据文档，该文档可以被客户端代码解析和表达。

WCS(web coverage service)规范主要针对空间影像数据，主要包含以下3个操作：GetCapabilities、GetCoverage和DescribeCoverageType。GetCapabilities操作可返回服务级元数据；GetCoverage操作根据条件返回指定栅格数据；DescribeCoverageType操作可获取某一个栅格数据图层的描述信息。

2 地理空间数据网络发布实现

本文设计的地理空间信息网络发布系统框架如图2所示，系统采用3层体系结构：数据层、业务层、显示层。其中，数据层主要存放系统所需的地理空间数据，可以选用空间数据库或文件系统；业务层包括地图服务器MapServer和网络服务器Apache，Apache负责监听浏览器请求并转发给MapServer CGI程序，由后者对请求进行解析，读取数据层中地理空间数据并处理为指定格式，最后经由Apache反馈给客户端进行绘制；显示层由Web浏览器组成，是用户与WebGIS交互的接口。

图2 发布方案框架

本文中，在服务器端采用文件系统存放待发布的矢量数据(SHP格式)和栅格影像，部署MapServer软件和Apache。客户端主要基于HTML和OpenLayers开发，实现地图浏览和操作功能。

2.1 MapServer和Apache安装

MapServer安装方式分为源代码编译和二进制文件两种，考虑源代码编译的难度较高，本文选择二进制文件安装方式。MapServer在Windows平台下的安装包有MS4W和OSGeo4W两种，其中OSGeo4W是一个软件合集，除了MapServer之外，还包含GRASS、OpenEV、uDig等数十种软件，而MS4W则主要包含MapServer和Apache，可满足本文需求，故选择MS4W软件包进行安装。

MS4W软件包中包含Apache Web服务器、MapServer和MapScript模块，通过官网下载之后，将其解压到硬盘的根目录下，然后运行其根目录下的apache_install.bat，即可完成Apache Web服务器的安装，至此软件安装完成。打开浏览器，在地址栏输入http:∥127.0.0.1/cgi-bin/mapserv.exe，如果返回信息为“No query information to decode.QUERY_STRING is set，but empty.”则表明安装成功，可以进行下一步的地理空间数据网络发布。

2.2 地理空间数据网络发布

地理空间数据网络发布包括WMS、WFS和WCS，WMS和WFS发布使用的数据为SHP格式的世界地图，WCS发布使用的数据为TIF格式的遥感影像。

首先对待发布数据进行规范化处理，包括数据格式转换、投影转换等。将所有矢量数据统一转换为SHP格式数据，空间坐标系为WGS-84。栅格影像使用ERDAS软件进行规范处理，坐标系选择WGS-84。

其次需要配置网络发布所需的字体文件、符号文件及Mapfile文件。字体文件和符号文件不再赘述，主要基于具体应用需求进行制作和配置。Mapfile文件配置是网络服务发布的核心，主要包括Map对象、Web对象、Layer对象、Class对象等。

Web对象主要用于配置网络服务的元数据，包括WMS、WFS、WCS，部分代码如下：

Web

Metadata

"wms_title" "worldmap-wms"

"wms_onlineresource" "http:∥127.0.0.1/cgi-bin/mapserv.exe?"

"wms_srs" "EPSG:4326"

"wms_enable_request" "*"

"wfs_title" "worldmap-wfs"

"wfs_onlineresource" " http:∥127.0.0.1/cgi-bin/mapserv.exe?"

"wfs_srs" "EPSG:4326"

"wfs_abstract" "This text describes the wfs

service"

"wfs_enable_request" "*"

"wcs_onlineresource" " http:∥127.0.0.1/cgi-bin/mapserv.exe?"

"wcs_enable_request" "*"

"wcs_label" "tif wcs"

End

End

Layer对象用于配置服务发布所需图层，包括矢量数据图层和栅格数据图层，部分代码如下：

Layer

Name "worldmap"

Type polygon

Data "../data/world"

Metadata

"wms_title" "layer01"

"wms_srs" "EPSG:4326"

"wfs_title" "layer02"

"wfs_srs" "EPSG:4326"

"gml_featureid" "id"

"wfs_enable_request" "*"

End

Class

Name "world"

Style

Color 255 255 255

Outlinecolor 96 96 96

Backgroundcolor 45 180 135

End

End

End

Layer

name "world_raster"

Type Raster

Data "../data/world.tif"

Metadata

"wcs_label" "name"

"wcs_rangeset_name" "my name"

"wcs_rangeset_label" "my label"

End

Projection

"init=epsg:4326"

End

End

Mapfile文件配置完成后，将其和对应地理空间数据、符号文件、字体文件等置于相应文件夹，并启动MapServer和Apache，即可完成地理空间数据的网络发布。

2.3 WebGIS客户端开发

在客户端通过使用OpenLayers和HTML进行WebGIS客户端开发，加载WMS、WFS和WCS数据服务，实现了地理空间信息的在线浏览和操作功能，部分实现代码如下：

var map=new OpenLayers.Map(“world_demo”);

var wmap=new OpenLayers.Layer.WMS(“wworld”，“http:∥127.0.0.1/cgi-bin/mapserv.exe? “，{layers:”worldmap”});

var wfs_pro=new OpenLayers.Protocol.WFS({version:”1.1.0”,url：”http:∥127.0.0.1/cgi-bin/mapserv.exe?”，featuretype:”worldmap”});

var vmap=new OpenLayers.Layer.Vector(“vworld”,{strategies:[new OpenLayers.Strategy.Fixed()],protocol:wfs_pro});

map.addLayer(wmap);

map.addLayer(vmap);

map.addControl(new OpenLayers.Control.LayerSwitcher());

…

2.4 系统优化建议

(1) 矢量数据应该尽量选用SHP格式文件。MapServer可以支持多种矢量数据格式，但是以SHP格式文件读取和处理速度较快，并且可以为SHP数据建立空间索引，可进一步提高MapServer的处理效率。

(2) 引入Kamap或Tilecache的瓦片机制。WebGIS系统的底图一般变动较小，与MapServer读取矢量数据，然后进行处理，并将处理结果返回到客户端的模式相比，采用瓦片地图可以省去读取数据和处理数据的步骤，将极大地减少客户端的响应时间。

(3) 优化投影文件。在Mapfile中需要设置地图和图层的投影参数，而MapServer的投影文件由数千种投影组成，如果每次都扫描整个文件查找所设置投影无疑会降低处理速度。因此，需要对投影文件进行优化，删除不需要的投影编码，或将应用较多的投影编码的位置提到文件的前部，即可以减少投影参数的查找时间。

3 结 语

MapServer是一种应用广泛的开源WebGIS软件，并且其功能在不断增强。通过本文对基于MapServer和OpenLayers的地理空间信息网络发布方案进行的论述，笔者认为其可以满足一般的WebGIS开发需求，未来可考虑在服务器端引入其他软件包或在客户端引入其他JavaScript框架，进一步增强应用系统的功能，这也是笔者下一步的研究内容。

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